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    高海拔荒漠地區(qū)風(fēng)沙大、降水少，光伏電池表面上大量積塵，嚴(yán)重影響發(fā)電效率。電池板表面積塵主要受灰塵自身特性因素和當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境因素的影響�；覊m自身特性因素包括灰塵的粒徑、形貌、質(zhì)量和化學(xué)組成等；當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境因素包括溫度、降水量、氣流、海拔高度等。許多學(xué)者就積塵對(duì)光伏發(fā)電效率的影響做了大量研究。MontoMani指出，表面積塵光伏組件的發(fā)電效率相對(duì)降低10%—25%，這表明灰塵積累對(duì)光伏發(fā)電的影響是不容忽視的[1]。Jiang Hai量化了光伏組件上的不同類型積塵對(duì)光伏發(fā)電的影響，當(dāng)灰塵密度從零增至22 g/m2時(shí)，光伏發(fā)電效率的降低從零升至260%[2] ．Kaldellis和Hussein研究了電池板上紅壤、石灰石和灰燼3種類型積塵對(duì)發(fā)電效率的影響：紅壤對(duì)光伏發(fā)電的影響最大，灰燼影響最小[3]~ [4]。Kaldellis認(rèn)為這主要是由于灰塵本身特性決定的，灰塵的成分、粒徑、形貌都會(huì)影響光電轉(zhuǎn)化效率，從而影響光伏發(fā)電效率[3]。以往的研究表明，不同類型的灰塵對(duì)光伏發(fā)電效率的影響不同，因此對(duì)灰塵特性進(jìn)行研究是十分必要的。

    荒漠地區(qū)的光伏電站多用水射流方式進(jìn)行除塵作業(yè)。水射流除塵的費(fèi)用低、設(shè)備簡(jiǎn)單，在除塵的同時(shí)，還降低電池板表面溫度而提高光伏發(fā)電效率[5]。但是，這種除塵方式耗水量大、易污染光伏組件，尤其是在電池板表面會(huì)殘留一層難以清除的水垢，形成陰影區(qū)，極容易造成二次積塵。Abd-Elhady和Moharram的研究顯示，用加入表面活性劑的水來清洗電池板表面，能達(dá)到了較好的清潔效果。因此，當(dāng)使用地下水清洗電池板時(shí)，建議添加表面活性劑，使水呈偏酸性，以消除水垢殘留，其清潔效果最佳[6]~ [7] 。

1灰塵成分分析

    青海省格爾木戈壁荒漠地區(qū)，地廣人稀，生態(tài)環(huán)境脆弱。該地區(qū)為高原大陸干旱性氣候，日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，年平均日照時(shí)數(shù)為3 000 h左右[8]。廣闊的地域和充足的日照條件為光伏技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供了優(yōu)越條件。然而，荒漠地區(qū)晝夜溫差大，年平均降水量少，風(fēng)沙較多，因此光伏板表面的灰塵清潔工作是該地區(qū)光伏電站面臨的重要問題[9]~ [11] 。

    研究積塵的影響和灰塵的清潔問題，首先要了解灰塵自身特性。本文以位于格爾木東約25km，109國(guó)道附近的格爾木荒漠光伏產(chǎn)業(yè)園區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)不同光伏陣列電池板表面灰塵進(jìn)行收集，并將收集的樣品經(jīng)X-射線衍射儀測(cè)試在室溫為20℃，相對(duì)濕度為45%的條件下，測(cè)得的荒漠地區(qū)光伏電站各采樣點(diǎn)表面灰塵基本化學(xué)組成和平均含量列于表1。

    由表1可知．電池板表面灰塵主要由石英和硅酸鹽礦物質(zhì)組成，它們表現(xiàn)為偏堿性，呈棕灰色�；覊m顆粒一般帶有電荷，可通過加入帶電的物質(zhì)與之產(chǎn)生斥力將其移除電池板表面，還可選用表面活性劑來除塵[6]。[12]。[13]。

    目前，多數(shù)學(xué)者以單位面積上的灰塵質(zhì)量簡(jiǎn)稱灰塵量，g/m2)作為衡量影響電池板發(fā)電

效率的指標(biāo)之一[14] ．Kaldellis通過對(duì)紅壤、石灰石和灰燼3種不同成分的灰塵模擬實(shí)驗(yàn)得知，不同物質(zhì)成分的灰塵對(duì)電池板發(fā)電效率的影響也不同[3] 。

    圖1給出了格爾木荒漠地區(qū)電池板灰塵量對(duì)光伏發(fā)電效率的影響。圖1中的光伏相對(duì)發(fā)電效率是電池板積灰后的最大輸出功率與積灰前的最大輸出功率之比[20]：

圖1中的擬合曲線為一近似指數(shù)變化的曲線，這與文獻(xiàn)[15]的研究結(jié)果相一致。由圖1可知，光伏相對(duì)發(fā)電效率隨電池板表面灰塵量的增加而逐漸降低；在灰塵量較少時(shí)，的減速較快；隨著灰塵量的增多的變化趨于緩和。圖中較為密集的實(shí)測(cè)點(diǎn)表明，電池板的灰塵量以2~8g/m2較多。由圖可知，格爾木荒漠地區(qū)的光伏發(fā)電相對(duì)效率受灰塵的影響較大，一般降低5%~25%。經(jīng)測(cè)定，電池板的光伏相對(duì)發(fā)電效率平均降低15%，這與鈞石光伏電站的前期測(cè)試結(jié)果（平均降低10%—20%）相吻合。

2灰塵粒徑分析

    電池板表面灰塵粒徑影響電池板的受光面積，也影響灰塵與電池板間的粘附力，進(jìn)而影響除塵時(shí)的擦除力[15]`~ [17]。對(duì)電池板表面灰塵和地表沙土粒徑及形貌進(jìn)行分析，可得出灰塵對(duì)電池板的遮擋效果，并為除塵方案的選定提供依據(jù)。

首先，對(duì)電池板表面灰塵進(jìn)行顯微觀察。采用XSP-35TV生物顯微鏡觀察地表細(xì)土顆粒及電池板表面灰塵顆粒；采用相應(yīng)的圖像分析軟件可得到不同放大倍數(shù)下的顆粒微觀形貌（圖2）。

由圖2可見，電池板表面灰塵顆粒粒徑數(shù)量級(jí)數(shù)為斗m。通過對(duì)地表細(xì)沙土顆粒及電池板表面灰塵顆粒的顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，灰塵顆粒較小，呈近似球形。由于灰塵顆粒較小，不能采用篩分法測(cè)定灰塵粒徑，須通過激光粒度儀測(cè)定灰塵粒徑。通過MS2000馬爾文激光粒度儀的測(cè)定，分別給出了格爾木荒漠地區(qū)地表細(xì)沙土及電池板表面灰塵的粒徑分布規(guī)律(圖3),由圖3的粒徑分布和累積曲線的走勢(shì)及范圍可知：電池板表面灰塵顆粒較細(xì)，粒徑小于100um的顆粒所占比例較大：地表細(xì)沙土顆粒較大．粒徑大于100 um的顆粒所占比例較大，通過激光粒度測(cè)得，光伏電池板表面灰塵粒徑D為0.252~141.589um。

3  電池板表面灰塵粒徑的影晌

3.1對(duì)受光面積的影響

灰塵附著在電池板表面，對(duì)光線產(chǎn)生遮擋、吸收和反射作用，其中最主要是對(duì)光的遮擋。將電池板表面能夠接受光子的面積稱之為受光面積，也即自由區(qū)域；將因被灰塵覆蓋而不能吸收光子的電池板面積稱之為遮擋面積，也即陰影區(qū)域。對(duì)于單層灰塵顆粒，不考慮灰塵間的相互干擾，其自由區(qū)域的面積計(jì)算公式[16]：

式中：Af為自由區(qū)域面積，cm2;A為電池板表面某一單位面積，cm2;n為單位面積上灰塵顆粒的數(shù)量；r為灰塵顆粒半徑，um；為光線與電池板表

面夾角，(0)。

灰塵數(shù)量及半徑與灰塵質(zhì)量的關(guān)系：

式中：M為單位面積上灰塵質(zhì)量，mg/m2;p為灰塵密度，g/cm3。

利用式(2)、式(3)，可以根據(jù)測(cè)定的灰塵質(zhì)量和粒徑來評(píng)估灰塵的遮擋程度。若灰塵顆粒粒徑十分接近，則由以上兩式得：

    式(4)是較為理想狀態(tài)下的灰塵質(zhì)量與受光面積的關(guān)系，根據(jù)該式可測(cè)算在一定質(zhì)量的灰塵遮擋下電池板表面的受光面積：基于以上公式，以光線垂直入射(即=900）的1 Cm2電池板表面區(qū)域?yàn)槔�，假設(shè)該區(qū)域間顆粒緊密接觸，則其 分布狀態(tài)應(yīng)介于最松散排布和最密集排布之間（圖4）。假設(shè)灰塵顆粒為均勻球體且不透光．圖4(a)為單層灰塵顆粒相互接觸時(shí)最緊密的排布狀態(tài)，圖4(b)為單層灰塵顆粒相互接觸時(shí)最松散的排布狀態(tài)。

    Al-Hasan計(jì)算得出：圖4中最緊密排布時(shí)．1 cm2上的受光面積為0.09 Cm2，灰塵遮擋面積比為91%；圖4中灰塵最松散排布時(shí)，1Cm2上的受光面積為0.215 cm2，灰塵遮擋面積比為7 8.5 %[16] 。進(jìn)而可得出以下結(jié)論：對(duì)于單層灰塵顆粒，隨著灰塵顆粒半徑和灰塵質(zhì)量（或者數(shù)量）的變大，電池板受光面積呈線性減少；當(dāng)灰塵零散分布（未相互接觸）時(shí)，其遮擋電池板面積的0~78.5%；當(dāng)灰塵緊密接觸時(shí)，其遮擋了電池板面積的78.5%—91%。

由于灰塵顆粒的重疊，一定厚度的多層灰塵顆粒對(duì)受光面積的影響較為復(fù)雜．Beattie給出了多層灰塵顆粒遮擋的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：As為灰塵顆粒遮擋的總面積，cm2;A為單顆粒灰塵遮擋面積的總和. 

    因?yàn)榛覊m顆粒間有層疊和覆蓋的情況，所以式(5)存在指數(shù)關(guān)系。由式(3)，(5)，(6)可知，灰塵顆粒與遮擋總面積呈正相關(guān)，而受光面積隨灰塵質(zhì)量的增加而減少，其變化為指數(shù)變化二具有一定厚度的灰塵對(duì)電池板的遮擋相對(duì)復(fù)雜，有待于進(jìn)一步地研究。

3.2對(duì)擦除力大小的影響

灰塵顆粒大小不但影響灰塵受光面積．還會(huì)對(duì)灰塵的粘附產(chǎn)生重大影響，進(jìn)而影響灰塵的清除[17], [18]。法向擦除力與灰塵顆粒半徑的關(guān)系[18]：

式中：Fr為灰塵與電池板間的粘附力，N;GY為灰塵重力在垂直電池板表面方向上的分量，N；為灰塵與電池板分子間的作用力（范德華力），N；FE灰塵與電池板間的靜電作用力，N。

4灰塵殘留分析

    目前．格爾木地區(qū)對(duì)光伏板的清洗大多以水射流方式定期進(jìn)行=調(diào)查發(fā)現(xiàn)，用這種粗放的清潔方式清洗之后．電池板表面仍有一層難以祛除的污垢，形成二次殘留（圖5）。

圖5中，電池板表面白色塊狀和條狀的痕跡即為用水沖洗干燥后留下的污垢。經(jīng)測(cè)定，這些物質(zhì)成分多為碳酸鹽、硫酸鹽和硅酸鹽。這些污痕長(zhǎng)期附著在電池板上，難以清除，不僅遮擋光線，還可能與電池板表面玻璃發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而影響電池板壽命。污垢的產(chǎn)生與殘留，與沖洗用水中所含的離子有關(guān)。通過檢測(cè)當(dāng)?shù)氐叵滤�中的各種離子含量，反映了格爾木地下水的特性。表3為格爾木地下水中的離子成分及其質(zhì)量濃。

    經(jīng)測(cè)定，格爾木荒漠地區(qū)地下水pH值為7~8.6;水的硬度為3～4 mmol/L，屬于硬水：水的礦化度為850～1 000 mg/L。該地下水噴灑到電池板表面，干燥后會(huì)形成如圖5所示的鹽堿垢。

    針對(duì)電池板表面產(chǎn)生鹽堿垢的問題，建議在清潔電池板時(shí)，往水中加入一定量的酸性化學(xué)試劑和表面活性劑。pH值偏酸性的水可以使電池板表面鹽堿垢溶解，預(yù)防鹽堿垢的產(chǎn)生。加入表面活性劑可以改變灰塵與電池板間的粘附性質(zhì)，使灰塵顆粒容易與電池板分離[19]，[20]。Moharram在清潔用水中加入陽(yáng)離子表面活性劑溴代十六烷基吡啶和陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（濃度均為0.5%），并調(diào)定為偏酸性(pH<7)，達(dá)到了最佳清潔效果陰。因此，用水清潔電池板時(shí)，可選取適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣�，配以一定濃度，并調(diào)節(jié)水的pH值呈弱酸性，清除灰塵效果最佳

5結(jié)論

    對(duì)格爾木荒漠地區(qū)的地表沙土和電池板表面灰塵成分、粒徑、形貌進(jìn)行了分析，電池板表面灰塵主要組成是石英和鈉長(zhǎng)石。

    灰塵顆粒對(duì)電池板有遮擋作用二對(duì)于單層灰塵顆粒而言，當(dāng)灰塵零散分布時(shí)．灰塵對(duì)電池板的遮擋效果為0—78.5%．當(dāng)灰塵緊密接觸時(shí)其遮擋效果為78.5%—91%：對(duì)于多層顆粒，灰塵顆粒對(duì)電池板的遮擋作用呈現(xiàn)指數(shù)變化。光伏電池板表面灰塵粒徑D專0.252~141.589um．灰塵顆粒半經(jīng)的變化和灰塵質(zhì)量或數(shù)量的增加．都會(huì)使電池板的受光面積減少。

    格爾木地區(qū)單塊電池板表面灰塵量為2~8  g/m2，使發(fā)電相對(duì)效率降低50%~25%。隨著灰塵量的增多，電池板發(fā)電相對(duì)效率呈近似指數(shù)下降。

    灰塵顆粒半徑影響灰塵與電池板間的范德華力、靜電力和灰塵自身重力，3種力均隨灰塵顆粒半徑的增大而增大，使灰塵與電池板間的粘附力變大，最終使清除灰塵的擦除力增大。

    使用當(dāng)?shù)氐叵滤疀_洗電池板，其表面會(huì)產(chǎn)生以鹽堿垢為主的二次殘留，影響光伏發(fā)電效率，而且清除困難。通過地下水成分測(cè)定，建議在沖洗水中加入混合型表面活性劑，進(jìn)行合理配比，使水呈偏酸性，能達(dá)到較好的清潔效果。

本文分析了荒漠地區(qū)灰塵特性以及對(duì)光伏發(fā)電效率的影響，提出一種高效、省水的化學(xué)清洗方法，為荒漠地區(qū)光伏電站太陽(yáng)能電池陣列的清洗維護(hù)、提高光伏產(chǎn)業(yè)的效益提供了理論指導(dǎo)。

6摘要：

高海拔荒漠地區(qū)光伏電池板表面上往往會(huì)積累大量灰塵，嚴(yán)重影響光伏發(fā)電效率由灰塵的成分.形貌和粒徑等特性不同，導(dǎo)致積灰對(duì)光伏發(fā)電的影響也不同。文章檢測(cè)了光伏電池板表面灰塵成分．測(cè)定觀察了灰塵粒徑及形貌，并根據(jù)電池板清洗現(xiàn)狀分析荒漠地區(qū)地下水所含的陰陽(yáng)離子成分：根據(jù)格爾木荒漠地區(qū)灰塵成分，給出了灰塵對(duì)電池板發(fā)電效率的影響曲線；通過灰塵粒徑的測(cè)定，分析了灰塵粒徑對(duì)電池板的遮擋影響和對(duì)灰塵擦除的影響。文章還分析了光伏電池板清潔用水的成分及特性，結(jié)合灰塵自身特點(diǎn)，探討了往清洗用水中添加化學(xué)試劑的方案，為荒漠地區(qū)光伏電池板表面的清潔維護(hù)提供理論依據(jù)。